Linguagem de Descrição de Hardware - HDL

Uma linguagem de descrição de hardware (Hardware Description Language - HDL) é uma linguagem de computador especializada usada para descrever a estrutura e o comportamento de circuitos eletrônicos e, mais comumente, circuitos lógicos digitais.

Uma linguagem de descrição de hardware descreve o que um hardware faz e como:

  • Modelar
  • Representar
  • Simular

Existem várias linguagens de descrição de hardware. As duas principais são:

  • VHDL
  • SystemVerilog

VHDL

O nome VHDL é um acrônimo de VHSIC Hardware Description Language. Já o termo VHSIC é o acrônimo de Very High Speed Integrated Circuit. Assim podemos traduzir livremente o nome VHDL como "linguagem de descrição de hardware para circuitos integrados de velocidade muito alta".

A linguagem VHDL foi originalmente desenvolvida por empresas contratadas pelo governo americano e agora é um padrão requerido por todos os ASICs projetados para o exército americano.

1981: DoD (Department of Defense) patrocina o 1º encontro de especialistas com o objetivo de discutir métodos para a descrição de circuitos.

1983: DoD define os requisitos de uma linguagem padrão e firma contrato com IBM, Texas e Intermetrics com objetivo de desenvolvimento da linguagem e programas.

1985: Apresentação da versão 7.2 com direitos autorais do manual transferidos para o IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineer - Incumbências do IEEE: - Definir um padrão para a linguagem - Manter futuros desenvolvimentos (novas versões etc.)

1987: Após revisões propostas por acadêmicos, representantes de indústrias e o governo dos Estados Unidos, foi definido o padrão IEEE 1076-1987.

As versões mais utilizadas são as definidas em 1993 e 2008, junto com seus pacotes.

Os pacotes tem o objetivo de adicionar facilidades à linguagem, como:

  • IEEE 1164: Pacote std_logic_1164
  • IEEE 1076.3: Pacotes numeric_bit e numeric_std

Todo arquivo VHDL requer ao menos duas estruturas:

  • Entidade (entity)
    • Define os aspectos externos da função VHDL, isto é, os nomes das entradas e saídas e o nome da função.
  • Arquitetura (architecture)
    • Define aspectos internos, funcionamento e relação entre os sinais internos e declarados na entidade.

Exemplo

Circuito combinacional simples:

combinacional

VHDL
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity circuito is
    PORT( a,b,c: IN std_logic; s: OUT std_logic );
end circuito;

architecture main of circuito is
begin
    s <= (a and b) or c;
end main;

Vantagem do VHDL em relação ao Esquemático

  • Projeto independente da tecnologia;
  • Pode-se utilizar a descrição do projeto em vários tipos de plataforma, de um simulador para outro;
  • Pode-se utilizar um projeto em VHDL em diferentes projetos;
  • Permite, através de simulação, verificar o comportamento do sistema digital;
  • Facilidade na atualização dos projetos;
  • Reduz tempo de projeto e custo;
  • O objetivo do projeto fica mais claro do que na representação por esquemáticos;
  • O volume de documentação diminui, já que um código bem comentado em VHDL substitui com vantagens o esquemático e a descrição funcional do sistema;

Aspectos da linguagem

  1. Suporta diversos níveis de hierarquia: uma descrição pode ser um conjunto de descrições interligadas.
  2. Estilo de descrição:
  3. Diversas maneiras de descrever um circuito
  4. Níveis de abstração: comportamental, expressões lógicas, redes de ligação;
  5. Linguagem concorrente
  6. Ordem dos comandos não importa;
  7. Mudança de valor em um sinal acarreta a execução de todos os comandos envolvidos.
  8. Comandos sequenciais:
  9. Somente em regiões delimitadas no código, subprogramas e processos.